(57)【要約】【課題】  金属製ダイヤフラムと支持部とが接合される形式のダイヤフラム式センサにおいて、接合部に作用する応力を緩和しつつ小型化を可能とする。【解決手段】  ダイアフラム１２の熱膨張係数は支持部材１８よりも17×10-7(/℃)程度大きいことから、接合後の冷却過程においてダイアフラム１２に径方向の引っ張り応力が作用するため、ダイアフラム１２はこの張力によって均一に強く張られ平坦になる。しかも、接合部２６に貫通孔２８が設けられて、ダイアフラム１２の断面積が小さくされることにより、接合層１４に作用する応力が好適に緩和される。そのため、ダイアフラム１２に比較的大きな張力が作用しているにも拘わらず、接合部２６において接合層１４や支持部材１８等にクラックや欠損等は何ら生じない。なお、貫通孔２８が設けられていても、それに起因する固着面積の減少が無いため、接合部２６の幅寸法は特に大きくならない。【選択図】                    図４
2005265784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板状の金属製ダイアフラムがそのダイアフラムを支持するための支持部材にシールガラスで接合された金属ダイアフラム式センサであって、
前記ダイアフラムは、10×10-7乃至30×10-7(/℃)の範囲内で前記支持部材の構成材料よりも大きい熱膨張係数を有する金属材料で構成され、且つ、そのダイアフラムの外周縁と同心でその最大厚みと同一高さ寸法の所定の仮想円筒面上の断面積がその仮想円筒面の面積よりも小さい環状小面積部を前記支持部材との接合部に備えたことを特徴とする金属ダイアフラム式センサ。
【請求項２】
前記環状小面積部は、前記仮想円筒面上において周方向に一様な面積分布を有するものである請求項１の金属ダイアフラム式センサ。
【請求項３】
前記環状小面積部は、前記ダイアフラムの厚み方向に貫通する複数の切欠きまたは貫通孔若しくは厚み方向に所定の深さ寸法を有する複数の薄肉部が前記仮想円筒面上に周方向において一様な分布で設けられることにより形成されたものである請求項１または請求項２の金属ダイアフラム式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製のダイヤフラムの変形に基づいて力学量を検出する金属ダイヤフラム式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤフラムの専ら厚み方向における変形(或いは変位)を検出し、これを電気信号に変換して出力する形式のダイヤフラム式センサが知られており、例えば、圧力や加速度等の力学量を検出するための圧力センサや加速度センサ等に利用されている。例えば、ダイヤフラムに抵抗体が密着形成され、抵抗体がダイヤフラムの変形に伴って変形させられることにより変化する歪抵抗を測定する形式の歪抵抗式センサや、ダイヤフラムの一面に可動側電極が設けられると共に、その可動側電極に対向して固定側電極が設けられ、その可動側電極がダイヤフラムの変形に伴って変形させられることにより変化する固定側電極との間の静電容量を測定する静電容量式センサが一例である。一般に、前者は圧力センサに利用され、後者は圧力センサおよび加速度センサに利用される。
【０００３】
上記のようなダイヤフラム式センサにおいて、ダイヤフラムと固定板上でこれを支持する支持部とを別々の部材に構成し、相互に接合したものが提案されている(例えば特許文献１，２等参照)。このような構成によれば、部品点数が増加すると共に部材相互の接合が必要になる点で不利ではあるが、支持体が一体形成されている場合のような肉厚の相違に起因する加工歪みが生じ延いては寸法・形状精度が低下する不都合が抑制されるので、厚み精度が良く検出精度の高いセンサが得られる利点がある。また、構成部材の個々の形状が単純化して製造が容易になるため、全体の製造コストは特に高くならず、却って、単純形状のものは大型化しても高精度で容易に加工し得るため、センサが大面積になるほど製造コストが低下する利点がある。しかも、単純な薄板形状のダイヤフラムは薄肉化も用意であるため、小型センサにも容易に対応できる利点がある。
【０００４】
また、ダイアフラムは金属、セラミックス、半導体等で構成することができるが、特に、金属製ダイアフラムは、材料が安価で加工性がよいため低コストで作製でき、耐衝撃性に優れているため製造工程および使用中における破損が生じ難く、可動電極を兼用できるため電極形成の手間と取出し配線を省略できる利点がある。このような金属製ダイアフラムと支持部材との接合は、例えば、金属ろうやシールガラスで行われるが、接合処理の簡便性および耐環境性において、シールガラスが優る。
【特許文献１】特開昭５５−１６２２８号公報
【特許文献２】特開平６−１２９９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、金属ダイアフラムを支持部材に接合するに際しては、ダイアフラムが加熱されることによって膨張し且つ冷却過程で収縮することから、支持部材に均一な張力で接合することが困難であった。これに対して、前記特許文献１には、基板(すなわち支持部材)の熱膨張係数をダイアフラムの熱膨張係数に比べて僅かに小さくすることが提案されている。この技術によれば、接合の冷却過程において、両者の熱膨張係数の差に基づいてダイアフラムに径方向の外周側に向かう張力が加えられるため、接合する前に存在する僅かな弛みが除去され、均一な平面を持つダイアフラムが得られる。
【０００６】
一方、上記のように付与された張力により接合部(すなわち接合層、ダイアフラムと接合層との界面、或いは支持部材と接合層との界面等)に応力が作用することから、その接合部の固着剤(ガラス)にクラックが発生することがあった。これに対して、前記特許文献２には、その接合部に径方向に周期的に突き出す波形パターンでシールガラスを設けることが提案されている。この技術によれば、波形パターンの突き出し部間ではダイアフラムが周方向にも変形し得ることから、接合部に作用する応力が緩和され、クラックが好適に抑制される。しかしながら、この技術では、シールガラスが上記のように波形を成すことから、気密性および接合力を確保するためには接合部の幅寸法を著しく広くする必要があり、センサの小型化の妨げになっていた。
【０００７】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、金属製ダイヤフラムと支持部とが接合される形式のダイヤフラム式センサにおいて、接合部に作用する応力を緩和しつつ小型化を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、薄板状の金属製ダイアフラムがそのダイアフラムを支持するための支持部材にシールガラスで接合された金属ダイアフラム式センサであって、(ａ)前記ダイアフラムは、10×10-7乃至30×10-7(/℃)の範囲内で前記支持部材の構成材料よりも大きい熱膨張係数を有する金属材料で構成され、且つ、そのダイアフラムの外周縁と同心でその最大厚みと同一高さ寸法の所定の仮想円筒面上の断面積がその仮想円筒面の面積よりも小さい環状小面積部を前記支持部材との接合部に備えたことにある。
【発明の効果】
【０００９】
このようにすれば、ダイアフラムの熱膨張係数が支持部材よりも10×10-7〜30×10-7(/℃)の範囲内の大きさで大きくされていることから、接合後の冷却過程において熱膨張差に基づいてダイアフラムに張力が発生し、平坦なダイアフラムが得られる。このとき、接合部内の環状小面積部においては、ダイアフラムの断面積が小さくされていることから、上記張力に基づいて発生した応力が接合部内では緩和されるので、その応力に起因して接合部にクラックが発生することが好適に抑制されるが、環状小面積部においても接合部の幅寸法は他の部分と変わらないことから、応力を緩和することに伴って接合部の幅寸法が大きくなり延いてはセンサの小型化の妨げとなることもない。
【００１０】
なお、熱膨張係数の差が10×10-7(/℃)よりも小さくなると、ダイアフラムに十分な張力を与えることができない。また、30×10-7(/℃)よりも大きくなると、冷却時に作用する張力で接合部にクラックや欠損が生じ得る。
【００１１】
ここで、好適には、前記環状小面積部は、前記仮想円筒面上において周方向に一様な面積分布を有するものである。このようにすれば、周方向において応力が一様に緩和されることから、接合部のクラックや欠損が一層抑制される。
【００１２】
また、好適には、前記環状小面積部は、前記ダイアフラムの厚み方向に貫通する複数の切欠きまたは貫通孔若しくは厚み方向に所定の深さ寸法を有する複数の薄肉部(以下、貫通孔等という)が前記仮想円筒面上に周方向において一様な分布で設けられることにより形成されたものである。環状小面積部は、種々の態様で設けることができるが、例えば、これらの態様が好適である。なお、切欠きおよび貫通孔が設けられた態様では、シールガラスはそれら切欠きおよび貫通孔内にも充填される。そのため、これらの態様においても、接合部の幅寸法は何ら小さくなることはなく、十分に高い接合強度が確保されるのである。
【００１３】
また、上記貫通孔等の形状は任意に定めることができるが、例えば、平面形状が円形、矩形、三角形、六角形、およびこれらの組み合わせ等が、平面内に一様に配置するのに好適である。
【００１４】
また、貫通孔等の配列も適宜定めることができるが、格子配列、三角配列、六方配列、同心円配列等が簡便である。但し、貫通孔を一定の大きさで設けることは必須ではなく、また、ランダムな配置であっても構わない。
【００１５】
また、貫通孔等の面積、すなわち接合部において貫通孔等によって減じられるダイアフラムの面積は、その接合部の面積の50〜95(%)の範囲内とすることが望ましい。このようにすれば、応力を十分に緩和することができる。なお、95(%)よりも大きくすると、ダイアフラムの強度が不十分となる。一層好適には、減少面積は、65〜95(%)の範囲内の値である。
【００１６】
また、貫通孔等の相互間隔は、ダイアフラムの厚さ寸法の1/2〜2倍程度の範囲が好ましい。1/2倍未満の大きさでは、強度が不足してダイアフラムに十分な張力を与えることができない。また、2倍を超える大きさでは、貫通孔等による応力緩和が不十分となる。
【００１７】
また、貫通孔および切欠きと薄肉部とは併用しても良い。薄肉に形成した部分は、それだけで断面積が減じられ、強度が低下することになる。したがって、この場合は、貫通孔等の面積を前記値よりも小さく、且つ貫通孔等の相互間隔を前記値よりも大きくすることが望ましい。
【００１８】
また、薄肉部は、周方向に一様な厚さ寸法の環状部を設けるものであっても良く、独立した複数の窪みが規則的或いはランダムに設けられるものであっても良い。上記窪みは、例えば、前記貫通孔と同様な円形等の適宜の平面形状を成すものが径方向の複数列に(すなわち複数の円周上に)亘り且つ周方向に断続的に設けられてもよく、前記切欠きと同様な径方向において連続する適宜の平面形状を成すものが周方向に断続的に設けられてもよい。
【００１９】
また、前記貫通孔、切欠き、薄肉部の形成方法は特に限定されないが、例えば、化学エッチング、レーザ加工、エレクトロプレーティング(電着或いは鍍金)等の種々の方法で容易に設けることができる。
【００２０】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、作動流体が蓄えられる圧力室と、その作動流体が出入りする流体出入口とを備え、その圧力室内の流体圧とダイヤフラム部材のその圧力室とは反対側の一面との圧力差に応じてそのダイヤフラム部材が変形させられる圧力センサである。この態様では、上記圧力室および流体出入口が力学量伝達部に相当し、伝達される力学量は流体出入口から圧力室内に導かれる流体圧である。なお、作動流体は測定対象に応じて適宜の液体および気体を用い得る。例えば、測定対象がそれら液体および気体の圧力である場合には、それらが圧力室内を出入りするように構成すればよい。また、好適には、前記ダイアフラム式センサは、前記ダイヤフラムの一面に重錘体を備え、その重錘体に作用する加速度に応じてそのダイヤフラムが変形させられる加速度センサである。この態様では、上記重錘体が力学量伝達部に相当し、伝達される力学量は重錘体に作用する加速度である。本発明は、このような圧力センサや加速度センサに好適に適用される。上記変形は、主として厚み方向に生じる。
【００２１】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、前記ダイヤフラムの一面に設けられた可動側電極と、その可動側電極に対向して所定の固定部材上に設けられた固定側電極とを備え、ダイヤフラムの変形に伴ってその可動側電極が変位させられることにより生ずるそれら可動側電極と固定側電極との間の静電容量の変化に基づいて加速度または圧力を測定する静電容量型センサである。
【００２２】
また、好適には、前記ダイヤフラム式センサは、前記ダイヤフラムの一面に密着形成された抵抗体を備え、ダイヤフラムの変形に伴って変形させられるその抵抗体の歪抵抗に基づいて圧力を測定する歪抵抗型センサである。本発明は、このような形式のセンサに好適に適用される。
【００２３】
また、前記シールガラスは、それよりも高軟化点のガラス粉末やセラミック粉末を含む固着剤であってもよい。
【００２４】
また、前記ダイアフラムの構成材料は、前記支持部材との間で前記熱膨張係数の関係を満足すれば特に限定されないが、例えば、42(%)Ni−6(%)Cr−Fe合金等のFe-Ni-Cr合金、50(%)Ni−Fe合金等のFe-Ni合金、Ti合金、Fe-Ni-Co合金、或いはこれらの系の各種の合金等で構成される。例えば、支持部材がアルミナで構成される場合には、これらとアルミナとの熱膨張係数の差が、それぞれ17×10-7(/℃)程度、18×10-7(/℃)程度、21×10-7(/℃)程度であるので好適である。
【００２５】
また、前記支持部材の構成材料は、前記ダイアフラムのとの間で前記熱膨張係数の関係を満足すれば特に限定されないが、例えば、耐環境性に優れるセラミックスが好適である。特に、静電容量型センサにおいては、固定側電極や配線の形成が容易であることから、アルミナを用いることが好ましい。この場合において、固定側電極および配線は、支持部材の内面を適当な表面粗さに研磨した後、スクリーン印刷、蒸着、鍍金等の適宜の膜形成技術によってAu等の膜を形成することで設けられる。なお、固定側電極を外部へ接続するための配線は、例えば、支持部材に貫通孔を形成し、その貫通穴内を経由して設けられた導体により設けることもできる。
【００２６】
また、好適には、前記センサが静電容量型センサである場合において、前記支持部材の内面には、中央部に静電容量の変化を検出するための固定側電極が備えられると共に、その外周側に静電容量を分離するための環状補助電極が設けられる。このようにすれば、金属製ダイアフラムと固定側電極との間の静電容量がダイアフラム周縁部との間の静電容量変化に起因して変化させられることが抑制されるので、測定精度が高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００２８】
図１は、本発明の一実施例の静電容量型圧力センサ１０の構造を模式的に示す断面図である。図１において、圧力センサ１０は、全体が円板状を成すものであって、その円板状のダイヤフラム１２は、円環状に形成された接合層１４によって円板状の支持部材１８上に固着されている。
【００２９】
上記のダイヤフラム１２は、例えば42(%)Ni、6(%)CrのFe合金から成るものであって、例えば、直径が18(mm)程度、厚さ寸法が0.1(mm)程度の平坦且つ一様な厚みの薄板円板である。本実施例においては、可動側電極がこのダイアフラム１２によって構成されている。なお、ダイアフラム１２の上記の接合層１４に接合された部分(すなわち接合部)２６を除く部分には、Au鍍金が施されている。
【００３０】
また、上記の支持部材１８は、例えば純度96(%)程度のアルミナ等から成るものであって、例えば直径が18(mm)程度でダイヤフラム１２と同程度で、厚さ寸法が3(mm)程度の大きさに構成されている。上記のダイアフラム１２の600(℃)程度までの熱膨張係数は、このアルミナよりも例えば17×10-7(/℃)程度だけ大きい値である。この支持部材１８の上面(内面)２０の内周部には、例えば厚さ寸法が1(μm)程度で直径が8(mm)程度のAu蒸着膜から成る固定側電極２４が、例えば支持部材１８と同心に設けられている。なお、上面２０には同様にAu蒸着膜で形成された図示しない配線が上記の固定側電極２４に接続して備えられている。
【００３１】
また、上記の接合層１４は、例えば、670(℃)程度の温度で焼成されるシールガラスに、例えば直径0.1(mm)程度の高軟化点ガラス製ビーズが分散されたものである。この接合層１４は、外径18(mm)程度、内径10(mm)程度の円環状を成し、支持部材１８と同心に設けられている。この接合層１４の厚さ寸法すなわちダイアフラム１２の内面２２と支持部材１８の内面２２との相互間隔は、上記ガラス製ビーズの直径に等しい0.1(mm)程度である。すなわち、本実施例において、上記ガラス製ビーズは、ダイアフラム１２および支持部材１８の相互間隔を定める役割を果たしている。なお、上記相互間隔の下限値は検出しようとする圧力に応じて、ダイアフラム１２の変形量を考慮して定められたものである。
【００３２】
また、上記のダイアフラム１２は、図２に平面視にて示すように、接合層１４により支持部材１８に固着された幅寸法が4(mm)程度の環状の前記接合部２６に、多数の貫通孔２８を備えている。なお、図２において、波線は接合層１４の内周縁を表している。図３に上記の接合部２６近傍の一部を拡大して示す。上記の貫通孔２８は、例えば化学エッチング処理によって設けられたものであって、例えば直径が0.4(mm)程度で、例えば0.5(mm)程度の中心間隔を以て径方向および周方向に略一様に分布して略蜂巣状に設けられている。このため、この貫通孔２８が存在する部分を通るダイアフラム１２と同心の円筒面(すなわち仮想的な円筒面)３０上においては、そのダイアフラム１２の断面がその仮想円筒面３０に断続的に現れる凹凸形状を成す。これにより、ダイアフラム１２には、その貫通孔２８が設けられた径方向位置に、ダイアフラム１２の最大厚み(本実施例においては貫通孔２８が形成されている部分以外の部分の厚み)に等しい高さを有する仮想円筒面３０の面積よりも断面積が小さくされた環状小面積部３２が形成されている。なお、図３においては、２つの仮想円筒面３０を例示した。また、図１においては貫通孔２８を省略している。
【００３３】
また、上記のように接合部２６に貫通孔２８が設けられた結果、図４に接合部２６近傍の断面を拡大して示すように、接合層１４はその貫通孔２８内にも侵入して形成されている。そのため、ダイアフラム１２と接合層１４との固着強度は、貫通孔２８が設けられることによって接合部２６におけるダイアフラム１２の面積が減じられているにも拘わらず、その貫通孔２８内に入り込んだシールガラスによって高められている。
【００３４】
なお、本実施例においては、貫通孔２８の直径および中心間隔が前記のように定められていることから、接合部２６における貫通孔２８の総面積は、接合部２６の全面積の例えば60(%)程度になっている。また、貫通孔２８の相互間の金属部分の大きさは、ダイアフラム１２の厚さ寸法に等しい0.1(mm)程度である。
【００３５】
また、上記のようなダイヤフラム１２、支持部材１８、および接合層１４に囲まれた円板状(或いは円柱状)の空間３４は、気体や液体等の作動流体が蓄えられる圧力室であって、ダイヤフラム１２は、その圧力室３４内の作動流体圧とダイヤフラム１２の外部の圧力(例えば気圧)との差圧に応じて図１における上方或いは下方(すなわち固定側電極２４に接近する方向または離隔する方向)に撓み変形させられる。接合層１４は、ダイヤフラム１２および支持部材１８をそれらの外周縁部において相互にその作動流体が漏れ出ない程度の気密或いは液密に固着しているのである。このようにダイアフラム１２が変形させられることにより、そのダイアフラム１２と固定側電極２４との間の静電容量が変化させられるので、その静電容量の変化が測定されることにより、圧力室３４に伝達された圧力変化が検出される。また、上記の支持部材１８の中央部には、その厚み方向に貫通する例えば直径2(mm)程度の作動流体出入口３６が備えられており、圧力室３４内の圧力は、測定対象となる作動流体或いは測定対象の圧力変化に対応して圧力が変化する作動流体が流入させられることにより高められる一方、その作動流体が流出させられることによって低められる。なお、絶対圧測定に用いる場合には、作動流体出入口３６は無用であり、圧力室３４が密閉空間に構成されて内部が真空とされる。
【００３６】
ところで、圧力センサ１０は、ダイアフラム１２および支持部材１８をそれぞれ作製し且つ電極等を設けた後、これらを前記接合層１４で相互に接合することによって製造される。前記の接合層１４を構成するための固着剤は、例えばSiO2-B2O3-PbO系等の焼成温度が670(℃)程度のシールガラスに、それよりも高軟化点のガラス製ビーズを分散したものが用いられる。なお、このガラスは、例えば600(℃)程度までの熱膨張係数が支持部材１８を構成するアルミナよりも若干小さいものである。接合するに際しては、先ず、このシールガラスを支持部材１８の外周縁に沿って8(mm)程度の幅寸法で印刷法やディスペンサ等により塗布し、乾燥後、焼成する。次いで、ダイアフラム１２をこの上に載せ、例えばアルミナ製セッターを更にダイアフラム１２上に載せて、加圧しつつ加熱する。このアルミナ製セッターは、ダイアフラム１２と支持部材１８との相互間隔が上記ガラス製ビーズの直径に略一致する予め定められた値になるように加圧するための重しであると共に、金属製ダイアフラム１２の露出面積を少なくして冷却速度を低下させる効果を有するものである。
【００３７】
このようにしてダイアフラム１２と支持部材１８とを接合する過程において、上述したようにシールガラスの熱膨張係数は支持部材１８の熱膨張係数よりも若干小さいことから、冷却過程において、シールガラスから生成された接合層１４には、支持部材１８から圧縮応力が作用する。そのため、この圧縮応力が接合後に残存して接合層１４の強度が高められている。
【００３８】
しかも、前述したようにダイアフラム１２の熱膨張係数は支持部材１８よりも17×10-7(/℃)程度大きいことから、接合後の冷却過程においては、ダイアフラム１２に径方向の引っ張り応力が作用することとなる。そのため、接合されたダイアフラム１２はこの張力によって均一に強く張られ、平坦なダイアフラム１２が得られる。
【００３９】
また、本実施例によれば、前述したように、ダイアフラム１２には、その接合部２６に貫通孔２８が設けられることにより、その接合部２６内に環状小面積部３２が形成されていることから、ダイアフラム１２の断面積が小さくされることにより、接合層１４に作用する応力が好適に緩和される。そのため、上記のようにダイアフラム１２に比較的大きな張力が作用しているにも拘わらず、接合部２６において接合層１４や支持部材１８等にクラックや欠損等は何ら生じていない。このとき、貫通孔２８が設けられていても、それに起因する固着面積の減少が無いため、接合部２６の幅寸法は特に大きくなることがない。すなわち、接合部の幅寸法の増大に起因して圧力センサ１０の小型化が妨げられることはない。
【００４０】
本実施例においては、上記の貫通孔２８によって接合部２６の内周部から外周に向かって金属が細いジグザグ形状で伸びる形状となっていることから、接合層１４に作用する応力が減少し、また、仮にクラックが発生しても、進展方向が金属の形状に倣ってジグザグとなることから、その進展が阻害されるためと推定される。
【００４１】
また、本実施例においては、冷却時間は例えば0.5時間程度、すなわち従来の1/2程度の長さであるが、それにも拘わらず、接合層１４等にクラックなどは何ら見られなかった。因みに、従来においては、ダイアフラムと支持部材との熱膨張係数の差を±5×10-7(/℃)以内とすることが推奨されていた。しかしながら、このような熱膨張係数の関係を満足するダイアフラムを貫通孔２８を設けることなく用いた場合には、従来の３倍程度の冷却時間としてもクラックの発生が1/20程度まで低下するのに留まり、完全に防止することはできなかった。
【００４２】
また、本実施例によれば、接合後のダイアフラム１２のバネ定数のばらつきが小さい傾向が見られた。これは、接合時にダイアフラム１２の上にアルミナ製セッターが載せられていることから、そのダイアフラム１２の冷却速度が低下させられるので、張力の均一性が一層高められることによるものと考えられる。なお、ダイアフラム１２のバネ定数は、加熱処理による焼鈍効果で低下する傾向がある。本実施例においてばらつきが小さいのは、この低下度合いが一様であったこと、すなわち、一様な焼鈍状態が得られたことを意味する。
【００４３】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前述した実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図５に示すダイアフラム４０は、前記のダイアフラム１２に代えて前述した圧力センサ１０に用いられ得るものである。このダイアフラム４０は、接合部２６において外周縁から内周に向かう多数の切欠き４２が設けられることにより、断面積が減じられた環状小面積部４４が備えられたものである。この態様では、断面積がダイアフラム４０の最大厚み(すなわち切欠き４２が設けられていない部分の厚み)に等しい高さ寸法を備えた仮想円筒面３０の面積に対して減じられた環状小面積部４４が上記切欠き４２の全長に亘って連続的に形成されることになる。
【００４４】
上記の切欠き４２は、例えば、径方向の深さ寸法が1.5(mm)程度で、外周縁における開口寸法が0.15(mm)程度の大きさを備えて内周側に向かうに従ってやや幅寸法の小さくなる形状を備え、周方向において0.4(mm)程度の中心間隔で設けられている。
【００４５】
このような本実施例においても、接合部２６においてダイアフラム４０の断面積が小さくされていることから、前述した貫通孔２８を備えたダイアフラム１２が用いられた場合と同様に、接合層１４のクラック等を好適に抑制できる利点がある。
【００４６】
図６は、本発明の更に他の実施例の圧力センサ５０の要部であって、接合部２６の近傍を示す前記実施例の図４に対応する図である。この圧力センサ５０に用いられたダイアフラム５２は、前記ダイアフラム１２と略同様な形状に構成されているが、外周縁部すなわち接合部２６における厚さ寸法が、例えば0.03(mm)程度に減じられることにより、円環状の段付き部(すなわち薄肉部)５４を備えたものである点で相違する。
【００４７】
このような薄肉部５４を備えたダイアフラム５２によれば、接合部２６における断面積が一層小さくなることから、ダイアフラム１２が用いられる場合に比較して接合層１４に作用する応力が一層減じられ、クラック等の発生が一層抑制される利点がある。
【００４８】
なお、上記の構成例では、薄肉部５４が貫通孔２８と併用されているが、薄肉部５４を設けるだけでも断面積が減少するので、接合層１４に作用する応力が減じられ、クラック等の発生を抑制する効果がある。
【００４９】
図７は、前記の貫通孔２８と同一位置に有底穴５６が設けられたダイアフラム５８をダイアフラム１２に代えて用いたセンサの接合部２６近傍を示す図である。有底穴５６は、例えば、0.4(mm)程度の直径を有し、0.07(mm)程度の深さ寸法に形成されている。この図に示されるように、有底穴５６を設けることで断続的に薄肉部を設ける態様でも、接合部２６における応力が緩和されるので、接合層１４のクラック等を抑制する効果が得られる。なお、有底穴５６による緩和効果は貫通孔２８に比較して小さくなるので、例えば、穴径を上記値よりも大きくし、或いは、中心間隔を0.5(mm)よりも小さくすることで一層効果を高めることができる。
【００５０】
図８(ａ)、(ｂ)は、前記切欠き４２と同様な平面形状の有底の窪み６０をその切欠き４２に代えて設けたダイアフラム６２の要部を示す図である。窪み６０は、平面寸法は例えば４２と同様であるが、ダイアフラム６２の厚み方向における深さ寸法は、例えばその厚さ寸法の2/3程度、すなわち0.07(mm)程度である。このような窪み６０によっても、上記有底穴５６の場合と同様に、接合層１４に作用する応力を緩和してクラック等を抑制する効果が得られる。
【００５１】
図９に示すダイアフラム６４は、前記ダイアフラム１２と略同様に構成されているが貫通孔２８に代えて貫通孔６６が備えられたものである。貫通孔６６は、例えば対角寸法が0.4(mm)程度の正六角形を成すものであり、例えば0.45(mm)程度の中心間隔を以て貫通孔２８と同様に配置されている。そのため、隣接する貫通孔６６相互間にジグザグに伸びる枝状部分の幅寸法が接合部２６の全体に亘って一様になっていることから、ダイアフラム６４に適当な張力を付与するために必要な強度を保ちつつ接合層１４に作用する応力を可及的に緩和することが一層容易になる。
【００５２】
図１０に示す圧力センサ６８は、前記図１に示される圧力センサ１０において、固定側電極２４の外周側に環状の補助電極７０が設けられたものである。他の部分は圧力センサ１０と同様に構成されている。上記補助電極７０は、例えば、外径が8(mm)程度で幅寸法が1(mm)程度のリング状を成し、固定電極２４は、この補助電極７０の内周縁から径方向に0.5(mm)程度だけ内周側に離隔した位置に、5(mm)程度の直径で同心に設けられている。また、補助電極７０は、固定側電極２４と電気的に絶縁されており、別途設けられた配線を介して外部に導かれている。
【００５３】
圧力センサ１０においては、ダイアフラム１２が可動側電極を兼ねていることから、固定側電極２４に比較してその面積が著しく大きい。そのため、そのダイアフラム１２が撓み変形させられた際には、その外周縁部と固定側電極２４との間の静電容量変化が全体の静電容量変化に影響するので、測定感度や測定精度を確保するのが困難となる。しかしながら、本実施例のように補助電極７０を設けた圧力センサ６８によれば、ダイアフラム１２の外周縁部は補助電極７０との間で電界を形成することとなるので、静電容量が分離され、測定精度或いは測定感度が高められる利点がある。本発明は、このような補助電極７０が設けられる場合にも同様に適用される。なお、接合部２６には、前記の貫通孔２８、切欠き４２、窪み６０等が応力緩和の目的で備えられているが、この図１０および後述する図１１、図１２では、図１と同様にこれを省略している。
【００５４】
図１１は、本発明が歪抵抗型圧力センサ７２に適用された場合の構成例を示したものであって、図１に対応する図である。図１１において、ダイヤフラム１２の上面７４の適宜の箇所には、図示しない絶縁層を介してピエゾ抵抗素子７６が固着されている。この抵抗素子７６は、例えば、厚膜や薄膜等によって構成されるものであり、上記絶縁層は、例えば、セラミック粉体が分散されたガラス層(すなわち琺瑯)から成るものである。また、抵抗素子７６は、図示しない取出電極を介して外部配線に接続され、その抵抗値および抵抗値変化が測定され得るようになっている。ダイヤフラム１２が撓み変形させられるとそれに応じた応力が抵抗素子７６に作用するので、それら抵抗素子７６の抵抗値が変化し、測定された抵抗値変化に基づいて、ダイヤフラム１２を撓み変形させた圧力が検出されるのである。本発明は、このような歪抵抗型圧力センサ７２にも好適に適用される。なお、上記絶縁層は、ダイアフラム１２がその両面における熱膨張や放熱性の相違に起因して反り等が生じないように、絶縁性が必要とされない下面すなわち圧力室３４側にも設けられている。
【００５５】
図１２は、本発明が静電容量型の加速度センサ８０に適用された構成例を示した図１に対応する図である。図１２において、ダイヤフラム１２の下方には円環状の支持部材８２が配置されており、その環状端面上に形成された接合層１４によってダイヤフラム１２が固定されている。そのため、ダイヤフラム１２の下面は開放状態になっており、その下面には、支持部材８２の内周面よりも内側位置に例えば円柱状の重錘体８４が固着されている。この重錘体８４は、測定しようとする加速度の大きさに応じてその大きさや質量等が定められたものである。
【００５６】
また、ダイヤフラム１２の上には、有底円筒状を成す電極固定部材８６がその開口端面において固着されており、ダイヤフラム１２に対向するその内面(下面)に固定側電極８８が固着形成されている。電極固定部材８６は、例えばアルミナ等から成るものであって、その内側底面は検出しようとする加速度に応じた20(μm)程度の距離だけダイヤフラム１２の上面から離隔させられている。
【００５７】
このような加速度センサ８０においては、図１２における左右方向、例えば水平方向に加速度が生ずると、重錘体８４の慣性力によってダイヤフラム１２が専ら厚み方向に変形させられるので、ダイアフラム１２および固定側電極８８間の静電容量が変化し、発生した加速度が検出される。本発明は、このような加速度センサ８０にも利用される。
【００５８】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施例の圧力センサの断面構造を説明するための模式図である。
【図２】図１の圧力センサを平面視にて示す図である。
【図３】図２の接合部近傍の一部を拡大して示す図である。
【図４】図１の接合部近傍の一部を拡大して示す図である。
【図５】本発明の他の実施例におけるダイアフラムの接合部近傍を示す図３に対応する図である。
【図６】本発明の更に他の実施例の接合部近傍を示す図４に対応する図である。
【図７】本発明の更に他の実施例の接合部近傍を示す図４に対応する図である。
【図８】本発明の更に他の実施例の接合部近傍のダイアフラムの要部を示す図であって、(ａ)は外周側から見た状態を、(ｂ)は径方向断面をそれぞれ示す図である。
【図９】本発明の更に他の実施例のセンサにおいてダイアフラムに設けられた貫通穴形状を示す図である。
【図１０】本発明の更に他の実施例の静電容量型圧力センサの断面構造を示す図１に対応する図である。
【図１１】本発明の更に他の実施例の歪み抵抗式圧力センサの断面構造を示す図１に対応する図である。
【図１２】本発明の更に他の実施例の静電容量型加速度センサの断面構造を示す図１に対応する図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０：静電容量型圧力センサ、１２：ダイヤフラム、１４：接合層、１８：支持部材、２６：接合部、２８：貫通孔、３０：仮想円筒面、３２：環状小面積部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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